(57)【要約】  内燃機関の排気装置は、車両に搭載され、排気通路と、改質触媒と、ＮＯｘ浄化触媒と、を備える。排気通路は、エンジンに連通する。改質触媒は、ＮＯｘ浄化触媒より上流の排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じさせる。ＮＯｘ浄化触媒は、改質触媒により生成された還元剤によりＮＯｘを浄化する。
2011111217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに連通する排気通路と、
前記排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じさせる改質触媒と、
前記改質触媒の下流側の前記排気通路上に設けられ、前記還元剤によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
前記エンジンは、燃料としてＣＮＧを使用する請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項３】
前記エンジンは、ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能であり、
前記改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧを前記エンジンに供給する制御手段をさらに備える請求項２に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項４】
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記所定値は、前記エンジンから排気されるガスのＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき決定される請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記制御手段は、ＣＮＧを前記エンジンに供給する場合、ＣＮＧより排気に含まれるＣＨ４濃度に対するＨ２Ｏ濃度の割合が高い燃料を、前記エンジンに追加供給して燃焼させる請求項３または４に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項６】
空燃比センサをさらに備え、
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記空燃比センサは、前記改質触媒の下流の前記排気通路上に設けられる請求項２乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関（エンジン）の排気を浄化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、天然ガスを水蒸気と共に触媒の存在で改質させる技術が存在する。例えば、特許文献１には、メタン（ＣＨ４）と水蒸気（Ｈ２Ｏ）とを反応させ、一酸化炭素（ＣＯ）と水素（Ｈ２）とからなる改質燃料に変換する技術が開示されている。また、特許文献２には、エンジン始動時に、エンジンの温度が所定の閾値より低い場合には、気体燃料をエンジンに供給する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−０３０２４３号公報
【特許文献２】特開２００８−１６９７０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術によれば、ＣＨ４を改質燃料へ変換することができる。しかしながら、特許文献１の場合、水蒸気を別途供給する必要がある。また、特許文献１には、ＣＨ４を改質してエミッションを低減させる点については、何ら開示及び示唆がない。【０００５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＣＨ４を改質してエミッションを低減させることが可能な内燃機関の排気装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの観点では、内燃機関の排気装置は、エンジンに連通する排気通路と、前記排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じる改質触媒と、前記改質触媒の下流側の前記排気通路上に設けられ、前記還元剤によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、を備える。【０００７】
上記の内燃機関の排気装置は、車両に搭載され、排気通路と、改質触媒と、ＮＯｘ浄化触媒と、を備える。排気通路は、エンジンに連通する。改質触媒は、ＮＯｘ浄化触媒より上流の排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じさせる。ＮＯｘ浄化触媒は、改質触媒により生成された還元剤によりＮＯｘを浄化する。このように、内燃機関の排気装置は、排気ガス中のＣＨ４を低減すると共に、ＣＨ４を改質して生成した還元剤によりＮＯｘを低減する。従って、内燃機関の排気装置は、エミッションを低減させることができる。【０００８】
上記の内燃機関の排気装置の一態様では、前記エンジンは、燃料としてＣＮＧ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）を使用する。一般に、ＣＮＧを燃料とした場合、二酸化炭素（ＣＯ２）や黒煙などの排出量が少ない。一方で、この場合、ＣＨ４の排出量が比較的多くなる。従って、この態様では、内燃機関の排気装置は、エンジンから排出されたＣＨ４に基づき還元剤を生成してＮＯｘを浄化することができるため、他の燃料よりエミッションを低減させることができる。【０００９】
上記の内燃機関の排気装置の他の一態様では、前記エンジンは、ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能であり、前記改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧを前記エンジンに供給する制御手段をさらに備える。この態様では、内燃機関の排気装置は、制御手段をさらに備える。また、エンジンは、ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能なバイフューエルエンジンである。制御手段は、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧをエンジンに供給する。一般に、改質触媒の温度が低い場合には、改質触媒によりＣＨ４を改質させる変換率が低くなる。従って、この態様では、内燃機関の排気装置は、ＣＨ４の改質が可能な場合に限定してＣＮＧ運転を行うことで、エミッションを低減させることができる。【００１０】
上記の内燃機関の排気装置の他の一態様では、前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、前記所定値は、前記エンジンから排気されるガスのＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき決定される。この態様では、改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質する。一方、エンジンから供給される排気ガス中のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度によって、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質する変換率の目標値が異なる。従って、この態様では、内燃機関の排気装置は、ＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき上述の所定値を決定することで、ＣＮＧを使用した運転領域を拡大することができ、エミッションを低減させることができる。【００１１】
上記の内燃機関の排気装置の他の一態様では、前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、前記制御手段は、ＣＮＧを前記エンジンに供給する場合、ＣＮＧより排気に含まれるＣＨ４濃度に対するＨ２Ｏ濃度の割合が高い燃料を、前記エンジンに追加供給して燃焼させる。ここで、「ＣＮＧより排気に含まれるＣＨ４濃度に対するＨ２Ｏ濃度の割合が高い燃料」とは、例えばエタノールを含有した燃料が該当する。このように、内燃機関の排気装置は、エンジンによる燃焼後のＨ２Ｏの割合が高い燃料を、ＣＮＧの使用時に追加供給することで、改質触媒に供給される水蒸気を増加させ、改質触媒での改質反応を促進することができる。従って、内燃機関の排気装置は、排気ガス中のＣＨ４の浄化率を向上させることができる。【００１２】
上記の内燃機関の排気装置の他の一態様では、空燃比センサをさらに備え、前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、前記空燃比センサは、前記改質触媒の下流の前記排気通路上に設けられる。改質触媒は、ＣＨ４と共にＨ２Ｏを改質する。また、空燃比センサは、水蒸気を被水することにより素子の劣化が生じる可能性がある。従って、内燃機関の排気装置は、空燃比センサを改質触媒の下流に設置することで、空燃比センサの被水を抑制することができ、空燃比センサの破損等を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る内燃機関の排気装置の概略構成の一例である。
【図２】前段触媒及び後段触媒の構成を示した図である。
【図３】ＣＨ４変換率と、排気ガス温度との関係を示すグラフの一例である。
【図４】比較例に係る内燃機関の排気装置の概略構成図である。
【図５】エンジンの始動運転時における第１実施形態の処理手順を示すフローチャートの一例である。
【図６】ＣＮＧ運転への切り替え時における第１実施形態の処理手順を示すフローチャートの一例である。
【図７】第２実施形態に係る内燃機関の排気装置の概略構成の一例である。
【図８】第２実施形態に係る内燃機関の排気装置中の排気ガスの流れを示した図である。
【図９】エンジン始動後の凝縮水発生量の時間変化のグラフの一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態である第１実施形態乃至第３実施形態について説明する。
【００１５】
［第１実施形態］
（概略構成）
図１は、本発明に係る内燃機関の排気装置１００の概略構成図を示す。
【００１６】
内燃機関の排気装置１００は、主に、エンジン１と、排気通路２と、前段触媒３と、後段触媒４と、ＥＣＵ５０と、を備える。
【００１７】
エンジン１は、４つの気筒１１を備え、供給される燃料と空気との混合気を燃焼させることによって動力を発生する装置である。各気筒１１は、ＣＮＧを供給する図示しない燃料供給弁及び液体燃料を供給する図示しない燃料供給弁により、各燃料が供給される。液体燃料は、例えば、ガソリン、軽油、メタノールやエタノールなどのアルコール、又はこれらの混合燃料である。なお、ＣＮＧ及び液体燃料は、それぞれ図示しない燃料タンクに貯蔵されている。
【００１８】
また、エンジン１は、気筒１１及びシリンダーヘッド１２等を冷却するための冷却水の通路となるウォータージャケット１３を備える。本実施形態では、ウォータージャケット１３は、排気ガスが通過する排気ポート及びエグゾーストマニホールド（以後、単に「排気系」とも呼ぶ。）の表面との濡れ面積が低減されている。即ち、ウォータージャケット１３は、排気系の熱容量が低減されるように設計される。これにより、内燃機関の排気装置１００は、排気系での水蒸気の凝縮を防止する。
【００１９】
各気筒１１により生成された排気ガスは、排気ポート及びエグゾーストマニホールドを介して排気通路２を通過する。排気通路２上には、エグゾーストマニホールドの直後に配置され、メタン（ＣＨ４）及び水蒸気（Ｈ２Ｏ）の改質触媒である前段触媒３と、ＮＯｘを浄化する後段触媒４とが設けられている。
【００２０】
ここで、前段触媒３及び後段触媒４について、図２を参照して詳しく説明する。図２（ａ）は、前段触媒３の構成を示す図の一例である。図２（ａ）に示すように、前段触媒３は、ＣＮＧの主成分であるＣＨ４への吸着能力が高い吸着剤に、ＣＨ４の改質能力が高いニッケル（Ｎｉ）を所定の割合で混合した粒子と、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）とを備える。ここで、吸着剤は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）とＡｌ２Ｏ３とを所定の割合で混合したものである。これにより、前段触媒３は、ＣＨ４を吸着し、ＣＨ４を水蒸気で改質して浄化する。即ち、前段触媒３は、以下の反応式（１）に示す反応を行い、ＣＨ４を浄化する。
【００２１】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２      反応式（１）
さらに、前段触媒３は、酸素（Ｏ２）との部分酸化反応を起こす。即ち、前段触媒３は、反応式（１）に示す反応と共に、以下の反応式（２）に示す反応を起こす。
【００２２】
ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２      反応式（２）
反応式（１）、（２）に示すように、前段触媒３は、反応式（１）、（２）に示す反応により、後段触媒４の還元剤となる一酸化炭素（ＣＯ）及び水素（Ｈ２）を生成する。このように、ＣＯ及びＨ２は、本発明における「還元剤」の一例である。これにより、後述するように、内燃機関の排気装置１００は、ＣＨ４を改質させてエミッションを低減させることができる。また、内燃機関の排気装置１００は、ＣＨ４に加えて水蒸気を改質させることで、前段触媒３通過後の排気ガスの水蒸気濃度を低減させることができる。
【００２３】
また、好適には、前段触媒３は、ヒータを備えた電気加熱式触媒（ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｈｅａｔｅｄ  Ｃａｔａｌｙｓｔ）であり、ＥＣＵ５０の制御に基づき暖機が実行される。
【００２４】
なお、前段触媒３は、ＣＨ４と水蒸気との改質に対する触媒活性を示す金属としてＮｉを備えたが、これに代えて、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（Ｐｔ）等を備えてもよい。
【００２５】
図２（ｂ）は、後段触媒４の構成を示す図の一例である。図２（ｂ）に示すように、後段触媒４は、ＮＯｘ吸着能力の高い吸着剤（ＺｒＯ２＋ＣｅＯ２）にＮＯｘ還元能力の高いＲｈが備えられた粒子と、Ａｌ２Ｏ３と、を有する。これにより、後段触媒４は、ＮＯｘを吸着し、ＮＯｘを還元して浄化する。このとき、後段触媒４は、前段触媒３で生成されたＣＯ及びＨ２を一酸化窒素（ＮＯ）の還元剤として利用する。即ち、後段触媒４は、以下の反応式（３）及び反応式（４）に示す反応を起こす。
【００２６】
ＮＯ＋Ｈ２→１／２Ｎ２＋Ｈ２Ｏ      反応式（３）
２ＮＯ＋ＣＯ→１／２Ｎ２＋ＣＯ２      反応式（４）
反応式（３）、（４）に示すように、後段触媒４は、前段触媒３で生成されたＣＯ及びＨ２を還元剤として用いることで、ＮＯｘを浄化し、エミッションを低減させることができる。
【００２７】
次に、再び図１を参照し、内燃機関の排気装置１００の構成を説明する。ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）などを備え、内燃機関の排気装置１００の各構成要素に対して種々の制御を行う。例えば、ＥＣＵ５０は、上記のようにして供給された検出信号に基づいて、液体燃料及びＣＮＧの燃料噴射制御を行う。そして、ＥＣＵ５０は、本発明における制御手段として機能する。
【００２８】
なお、以後では、「ＣＮＧ運転」とは、ＣＮＧを使用した運転を指し、「液体燃料運転」とは、液体燃料を使用した運転を指す。
【００２９】
（制御方法）
次に、ＥＣＵ５０が実行する制御について具体的に説明する。概略的には、ＥＣＵ５０は、前段触媒３の温度（以後、「触媒温度Ｔ」と呼ぶ。）が所定値（以後、「閾値Ｔ１」と呼ぶ。）に満たない場合には、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上になるまでＣＮＧ運転を禁止する。これにより、ＥＣＵ５０は、反応式（１）に示す改質反応を促進し、ＣＨ４の浄化率の向上及び前段触媒３通過後の水蒸気濃度の低減を実現する。
【００３０】
これについて、図３を参照して補足説明する。なお、以後では、「ＣＨ４変換率」とは、エンジン１から排出される排気ガス中のＣＨ４のうち、前段触媒３で改質されるＣＨ４の割合を指す。また、「Ｈ２Ｏ変換率」とは、エンジン１から排出される排気ガス中のＨ２Ｏのうち、前段触媒３で改質されるＨ２Ｏの割合を指す。また、「ＣＨ４濃度」とは、排気ガス中のＣＨ４の濃度を指し、「Ｈ２Ｏ濃度」とは、排気ガス中のＨ２Ｏの濃度を指す。
【００３１】
図３は、ＣＨ４変換率と、触媒温度Ｔとほぼ等価である排気ガス温度と、の関係を示すマップの一例である。図３に示すように、触媒温度Ｔとほぼ等価である排気ガス温度が大きいほど、反応式（１）に示す反応が促進され、ＣＨ４変換率は高くなる。同様に、排気ガス温度が大きいほど、反応式（１）に示す反応が促進される結果、Ｈ２Ｏ変換率も高くなる。従って、ＥＣＵ５０は、前段触媒３の暖機後にＣＮＧ運転を行うことで、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を低減させることができる。また、ＥＣＵ５０は、前段触媒３の暖機後にＣＮＧ運転を行うことで、反応式（１）及び反応式（２）により、還元剤として機能するＨ２及びＣＯを後段触媒４に供給することができる。従って、ＥＣＵ５０は、前段触媒３の暖機後にＣＮＧ運転を行うことで、反応式（３）及び反応式（４）に示す反応を促進することができ、ＮＯｘ浄化によりエミッションを低減させることができる。
【００３２】
次に、閾値Ｔ１の決定方法について具体的に説明する。ＥＣＵ５０は、閾値Ｔ１を、前段触媒３通過前の排気ガスのＣＨ４濃度とＨ２Ｏ濃度とに基づき決定する。具体的には、ＥＣＵ５０は、例えば燃料噴射量及びエンジン１の状態等に基づき、ＣＮＧ運転を開始した場合の前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を推定する。そして、ＥＣＵ５０は、当該ＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき、例えば所定のマップ又は式を参照し、閾値Ｔ１を設定する。上述のマップ等は、例えば実験等に基づき予め作成され、ＥＣＵ５０のメモリに記憶される。
【００３３】
このとき、ＥＣＵ５０は、好適には、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度が高いほど、閾値Ｔ１を大きく設定する。例えば、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２０濃度が高い場合、閾値Ｔ１を、図３に示す温度「Ｔ１ｂ」に設定する。即ち、この場合、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度が高いことから、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２０濃度を所定の目標値以下に抑制するため、閾値Ｔ１を、ＣＨ４変換率及びＨ２Ｏ変換率が高い温度Ｔ１ｂに設定する。
【００３４】
一方、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度が上述の例より低い所定値の場合、閾値Ｔ１を、温度Ｔ１ｂより低い温度「Ｔ１ａ」に設定する。即ち、この場合、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度が低いことから、ＣＨ４変換率及びＨ２Ｏ変換率を、温度Ｔ１ｂに相当するＣＨ４変換率及びＨ２Ｏ変換率まで設定する必要がないと判断する。言い換えると、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前の時点でＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度が既に低いことから、触媒温度Ｔ１が温度Ｔ１ａ以上にすれば、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を所定の目標値以下に抑制できると判断する。従って、ＥＣＵ５０は、この場合、閾値Ｔ１を、ＣＨ４変換率及びＨ２Ｏ変換率が温度Ｔ１ｂの場合より低い温度Ｔ１ａに設定する。このように、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度が低いときには、触媒温度Ｔが比較的低温の場合であっても、ＣＮＧ運転を開始することができる。
【００３５】
以上のように、ＥＣＵ５０は、ＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき閾値Ｔ１を決定することで、エミッションを低減しつつ、ＣＮＧ運転を制限する時期を最小限に縮小させることができる。
【００３６】
次に、ＣＮＧ運転を禁止する場合の具体例について説明する。第１の例では、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転によるエンジン１の始動運転要求時に、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１に満たない場合には、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上になるまでＣＮＧ運転を禁止して前段触媒３をヒータにより加熱する。そして、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上に達した場合、ＣＮＧ運転によりエンジン１を始動させる。このようにすることで、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転時に前段触媒３での反応式（１）に示す反応を促進させてＣＨ４の浄化率を向上させると共に、後段触媒４でのＮＯｘ浄化を促進させることができる。また、ＥＣＵ５０は、同時に前段触媒３通過後のＨ２Ｏ濃度を低減させることで、前段触媒３より下流での排気通路２内での凝縮水発生量を低減し、被水に起因したセンサの破損等の劣化を防止することができる。
【００３７】
第２の例では、ＥＣＵ５０は、液体燃料運転からＣＮＧ運転への切り替え要求時に、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１未満の場合には、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上になるまでＣＮＧ運転への切り替えを禁止する。そして、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上になった場合に、ＣＮＧ運転を行う。これによっても、ＥＣＵ５０は、排出するＣＨ４濃度を低減することができると共に前段触媒３通過後のＨ２Ｏ濃度を低減させることができる。
【００３８】
（効果）
次に、第１実施形態の効果について補足説明する。
【００３９】
一般に、前段触媒３を通過前のＨ２Ｏ濃度が低い場合、反応式（１）に示す反応が起こりにくい。従って、排気ポートやエグゾーストマニホールド等で水蒸気の凝縮が発生する条件下では、前段触媒３でのＨ２Ｏ濃度が低くなり、反応式（１）に示す反応が起こりにくくなる。ここで、水蒸気が凝縮する条件とは、例えば、排気ポートの壁面が露点以下の場合が該当する。一方、前段触媒３通過前のＨ２Ｏ濃度を高くするために燃料を増量して空燃比をリッチにした場合、ＣＨ４も増加する。
【００４０】
以上を勘案し、第１実施形態では、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上の場合に、ＣＮＧ運転を行う。これにより、ＥＣＵ５０は、水蒸気を別途前段触媒３に供給することなく、反応式（１）に示す反応を促進させ、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を低減させることができる。
【００４１】
また、第１実施形態では、内燃機関の排気装置１００は、前段触媒３の下流に、ＮＯｘ浄化触媒である後段触媒４を備える。これにより、内燃機関の排気装置１００は、反応式（１）及び反応式（２）に示す反応により発生したＨ２及びＣＯに基づき後段触媒４でのＮＯｘの浄化を促進させることができる。即ち、ＥＣＵ５０は、反応式（１）に示す改質反応を促進することで、後段触媒４での反応に必要な還元剤を増加させることができ、ＮＯｘ浄化を促進させることができる。
【００４２】
さらに、第１実施形態では、内燃機関の排気装置１００は、排気ポートやエグゾーストマニホールドを冷却するためのウォータージャケット１３の冷却面積が少なく設計されている。これについて、図４に示す比較例を用いて説明する。図４は、比較例に係る内燃機関の排気装置１００ｘの概略構成図である。内燃機関の排気装置１００ｘは、主に、エンジン１ｘと、排気通路２ｘと、前段触媒３ｘと、後段触媒４ｘと、ＥＣＵ５０ｘと、を備える。
【００４３】
図４に示すように、比較例では、図１に示す第１実施形態の場合と比較して、ウォータージャケット１３ｘは、各気筒１１ｘから排気通路２ｘへ連通する排気系を冷却するための排気系との接触面積が大きい。言い換えると、第１実施形態に係る内燃機関の排気装置１００は、比較例に係る内燃機関の排気装置１００ｘより、ウォータージャケット１３ｘによる排気系への冷却度合いが小さい。従って、第１実施形態では、内燃機関の排気装置１００は、比較例と比べて、排気系の熱容量を低減させることができ、排気系での水蒸気の凝縮を防止することができる。
【００４４】
（処理フロー）
次に、第１実施形態における処理手順について、図５、図６を参照して説明する。以下では、まず、エンジン１の始動運転時の制御について説明した後、液体燃料運転からＣＮＧ運転への切り替え時の制御について説明する。
【００４５】
１．始動運転時の制御
図５は、エンジン１の始動運転時の第１実施形態の処理手順を示すフローチャートの一例である。図５に示すフローチャートは、ＥＣＵ５０により所定の周期に従い繰り返し実行される。
【００４６】
まず、ＥＣＵ５０は、エンジン１の始動要求があるか否か判定する（ステップＳ１０１）。そして、ＥＣＵ５０は、始動要求があると判断した場合（ステップＳ１０１；Ｙｅｓ）、液体燃料での始動禁止要求があるか否か判定する（ステップＳ１０２）。そして、ＥＣＵ５０は、液体燃料での始動禁止要求があると判断した場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３乃至ステップＳ１０５の処理を実行する。
【００４７】
一方、ＥＣＵ５０は、始動要求がないと判断した場合（ステップＳ１０１；Ｎｏ）、又は、液体燃料での始動禁止要求がないと判断した場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、フローチャートの処理を終了する。具体的には、ＥＣＵ５０は、液体燃料での始動禁止要求がないと判断した場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、液体燃料を用いて燃料噴射制御を行い、エンジン１を始動させる。
【００４８】
次に、ステップＳ１０３で、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上であるか否か判定する（ステップＳ１０３）。例えば、ＥＣＵ５０は、排気通路２上に設けられた図示しない温度センサの検出値に基づき触媒温度Ｔを推定してもよく、前段触媒３に設置された温度センサの検出値に基づき触媒温度Ｔを測定してもよい。また、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転を実行した場合のＨ２Ｏ濃度及びＣＨ４濃度を推定し、所定のマップ等を参照して、閾値Ｔ１を決定する。
【００４９】
そして、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上であると判断した場合（ステップＳ１０３；Ｙｅｓ）、ＣＮＧでの始動運転を開始する（ステップＳ１０４）。即ち、この場合、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔ、ＣＨ４濃度、及びＨ２Ｏ濃度を考慮し、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を一定の基準以下に抑制できると判断する。そして、ＥＣＵ５０は、この場合、ＣＮＧにより始動運転を開始することで、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を低減することができると共に、前段触媒３で生成されたＨ２及びＣＯを還元剤として機能させて後段触媒４でＮＯｘを浄化することができる。即ち、ＥＣＵ５０は、低エミッションを実現することができる。
【００５０】
一方、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上でないと判断した場合（ステップＳ１０３；Ｎｏ）、即ち、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１未満であると判断した場合、ＣＮＧでの始動運転を禁止すると共に、前段触媒３の暖機を行う（ステップＳ１０４）。例えば、ＥＣＵ５０は、前段触媒３に設置されたヒータにより前段触媒３を暖機する。そして、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上になるまでステップＳ１０４の処理を継続する。これにより、ＥＣＵ５０は、ＣＨ４の未浄化によるエミッション低下を抑制すると共に、水蒸気の凝縮によるセンサの破損等を抑制する。
【００５１】
２．ＣＮＧ運転への切り替え制御
図６は、ＣＮＧ運転への切り替え時での第１実施形態の処理手順を示すフローチャートの一例である。ＥＣＵ５０は、図６に示すフローチャートの処理を、所定の周期に従い繰り返し実行する。
【００５２】
まず、ＥＣＵ５０は、液体燃料運転中であるか否か判定する（ステップＳ２０１）。そして、ＥＣＵ５０は、液体燃料運転中であると判断した場合（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）、ＣＮＧ運転への切り替え要求があるか否か判定する（ステップＳ２０２）。そして、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転への切り替え要求があると判断した場合（ステップＳ２０２；Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３乃至ステップＳ２０５の処理を実行する。
【００５３】
一方、ＥＣＵ５０は、液体燃料運転でないと判断した場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、又は、ＣＮＧ運転への切り替え要求がないと判断した場合（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、フローチャートの処理を終了する。具体的には、ＥＣＵ５０は、液体燃料運転でないと判断した場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）、即ち、ＣＮＧ運転の場合には、ＣＮＧ運転を継続する。一方、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転への切り替え要求がない場合（ステップＳ２０２；Ｎｏ）、引き続き液体燃料運転を継続する。
【００５４】
そして、ステップＳ２０３で、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上であるか否か判定する（ステップＳ２０３）。そして、ＥＣＵ５０は、触媒温度が閾値Ｔ１以上であると判断した場合（ステップＳ２０３；Ｙｅｓ）、ＣＮＧでの始動運転を開始する（ステップＳ２０４）。ＥＣＵ５０は、この場合、ＣＮＧにより始動運転を開始することで、前段触媒３通過後のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度を低減することができると共に、前段触媒３で生成されたＨ２に基づき後段触媒４でＮＯｘを浄化することができる。即ち、ＥＣＵ５０は、低エミッションを実現することができる。
【００５５】
一方、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上でないと判断した場合（ステップＳ２０３；Ｎｏ）、ＣＮＧ運転への切り替えを禁止すると共に、前段触媒３の暖機を行う（ステップＳ２０５）。そして、ＥＣＵ５０は、触媒温度Ｔが閾値Ｔ１以上になるまで、ステップＳ２０５の処理を継続する。これによっても、ＥＣＵ５０は、ＣＨ４の未浄化によるエミッション低下を抑制すると共に、水蒸気の凝縮によるセンサの破損等を抑制することができる。
【００５６】
［第２実施形態］
概略的には、第２実施形態では、第１実施形態に代えて、またはこれに加えて、内燃機関の排気装置１００は、排気ガス中の空燃比を検出するＡ／Ｆセンサを前段触媒３の下流に備える。これにより、内燃機関の排気装置１００は、被水によるＡ／Ｆセンサの破損等を抑制する。以下第２実施形態の概略構成を説明した後、制御方法について説明する。
【００５７】
（概略構成）
図７は、第２実施形態に係る内燃機関の排気装置１００の概略構成の一例である。内燃機関の排気装置１００は、主に、エンジン１と、排気通路２と、前段触媒３と、後段触媒４と、切り替えバルブ５と、Ａ／Ｆセンサ６と、バイパス通路７と、ＥＣＵ５０と、を備える。なお、以後では、図１と同一の構成要素の説明を適宜省略する。
【００５８】
図７に示すように、内燃機関の排気装置１００は、前段触媒３の上流側の排気通路２と、前段触媒３の下流かつＡ／Ｆセンサ６の上流側の排気通路２と、に連通するバイパス通路７を備える。さらに、前段触媒３の上流側の排気通路２とバイパス通路７との分岐点には、排気ガスの流れを制御するための切り替えバルブ５が設置されている。切り替えバルブ５は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ５に基づき、バイパス通路７又は前段触媒３が設置された排気通路２に排気ガスを供給する。
【００５９】
また、バイパス通路７の下流かつ後段触媒４の上流の排気通路２上には、排気ガス中の空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ６が設置されている。即ち、内燃機関の排気装置１００は、Ａ／Ｆセンサ６を、前段触媒３の下流側の排気通路２に備える。
【００６０】
（制御方法）
次に、第２実施形態でＥＣＵ５０が実行する制御について説明する。ＥＣＵ５０は、エミッション低減等のため、エンジン１の始動時では、Ｈ／Ｃ比が高いＣＮＧにより始動運転を行う。この場合、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転時に、前段触媒３により反応式（１）に示す水蒸気改質反応を起こさせ、Ａ／Ｆセンサ６の被水量を抑制する。これについて、図８、図９を参照して説明する。
【００６１】
図８（ａ）は、ＣＮＧ運転時の内燃機関の排気装置１００内の状態を示す。図８（ａ）中の破線矢印は、排気ガスの流れを示す。図８（ａ）に示すように、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転時には、切り替えバルブ５を、排気ガスが前段触媒３を通過するように制御する。これにより、ＥＣＵ５０は、前段触媒３での反応式（１）に示す水蒸気改質反応を促進させ、排気ガス中のＨ２Ｏ濃度を低減させることができる。従って、内燃機関の排気装置１００は、Ａ／Ｆセンサ６を通過時の排気ガス中のＨ２Ｏ濃度を低減させることができ、Ａ／Ｆセンサ６の被水量を抑制することができる。
【００６２】
図８（ｂ）は、液体燃料運転を実行する場合の内燃機関の排気装置１００内の状態を示す。図８（ｂ）中の破線矢印は、排気ガスの流れを示す。図８（ｂ）に示すように、ＥＣＵ５０は、液体燃料運転時には、切り替えバルブ５を、排気ガスがバイパス通路７を通過するように制御する。即ち、この場合、ＥＣＵ５０は、凝縮水発生量がＣＮＧ運転時より少ない液体燃料運転時では、排気ガスを前段触媒３に供給しない。これにより、ＥＣＵ５０は、前段触媒３をＣＮＧ運転時のみ使用し、前段触媒３の劣化等を抑制する。
【００６３】
ＣＮＧ運転を行う領域と、凝縮水発生量との関係について、図９を参照してさらに詳しく説明する。図９は、エンジン１の始動後の凝縮水発生量の時間変化のグラフである。図９に示すように、凝縮水発生量は、エンジン１の始動時に最大値をとり、その後徐々に減少する。
【００６４】
まず、エンジン１の始動後の時刻「ｔ１」まで、ＥＣＵ５０は、エミッション低下の観点から、ＣＮＧ運転を行う。そして、ＥＣＵ５０は、この場合、排気ガスを前段触媒３へ供給するように、切り替えバルブ５を制御する。これにより、ＥＣＵ５０は、凝縮水発生量が多いエンジン１の始動直後の所定期間に、前段触媒３で反応式（１）に示す水蒸気改質反応を起こさせ、Ａ／Ｆセンサ６の被水量を抑制することができる。
【００６５】
［第３実施形態］
第３実施形態では、第１実施形態又は第２実施形態に代えて、又はこれに加えて、ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転時に、燃焼後の排気ガスに含まれるＣＨ４濃度に対するＨ２Ｏ濃度の割合（以後、「Ｈ２Ｏ／ＣＨ４濃度割合」と呼ぶ。）がＣＮＧよりも高い燃料を追加供給する。これにより、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前の排気ガス中の水蒸気を増加させて反応式（１）に示す反応を促進させる。
【００６６】
これについて具体的に説明する。まず、第３実施形態における内燃機関の排気装置１００の構成について説明する。第３実施形態では、内燃機関の排気装置１００は、第１実施形態又は第２実施形態の構成に加え、ＣＮＧ運転時に追加供給する排気中のＨ２Ｏ／ＣＨ４濃度割合がＣＮＧよりも高い燃料（以後、「高水蒸気燃料」と呼ぶ。）を有する。ここで、高水蒸気燃料としては、例えば、エタノール又はこれを含有した混合燃料が該当する。内燃機関の排気装置１００は、例えば、第１実施形態又は第２実施形態でエンジン１の燃料として貯蔵していたＣＮＧ及び液体燃料とは別に高水蒸気燃料をさらに貯蔵してもよい。他の例では、内燃機関の排気装置１００は、液体燃料として高水蒸気燃料を備えてもよい。
【００６７】
次に、第３実施形態でＥＣＵ５０が実行する制御について説明する。ＥＣＵ５０は、ＣＮＧ運転時に、高水蒸気燃料を各気筒１１へ追加供給する。これにより、ＥＣＵ５０は、エンジン１から前段触媒３へ供給されるＨ２Ｏ濃度を高くして反応式（１）の反応を促進させることができる。従って、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過後の排気ガス中のＣＨ４濃度を低減させ、低エミッション化を実現することができる。
【００６８】
また、好適には、ＥＣＵ５０は、第３実施形態では、第１実施形態と比べ、閾値Ｔ１を小さく設定してもよい。具体的には、ＥＣＵ５０は、前段触媒３通過前のＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に加え、さらに高水蒸気燃料の供給量も考慮して閾値Ｔ１を定めてもよい。例えば、ＥＣＵ５０は、ＣＨ４濃度、Ｈ２Ｏ濃度、及び高水蒸気燃料の供給量と、閾値Ｔ１とのマップ等を予めメモリに記憶し、当該マップ等を参照して閾値Ｔ１を決定する。このようにすることで、ＥＣＵ５０は、エミッションを向上させつつ、ＣＮＧ運転を禁止する期間を縮小させることができる。
【符号の説明】
【００６９】
１  エンジン
２  排気通路
３  前段触媒
４  後段触媒
５  切り替えバルブ
６  Ａ／Ｆセンサ
７  バイパス通路
１１  気筒
１２  シリンダーヘッド
１３  ウォータージャケット
５０  ＥＣＵ
１００  内燃機関の排気装置
【図１】
2011111217.tif 000003
【図２】
2011111217.tif 000004
【図３】
2011111217.tif 000005
【図４】
2011111217.tif 000006
【図５】
2011111217.tif 000007
【図６】
2011111217.tif 000008
【図７】
2011111217.tif 000009
【図８】
2011111217.tif 000010
【図９】
2011111217.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月30日(2010.7.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（削除）
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能なエンジンと、前記エンジンに連通する排気通路と、
前記排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じさせる
改質触媒と、
前記改質触媒の下流側の前記排気通路上に設けられ、前記還元剤によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
前記改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧを前記エンジンに供給する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項４】
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記所定値は、前記エンジンから排気されるガスのＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき決定される請求項３に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項５】
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記制御手段は、ＣＮＧを前記エンジンに供給する場合、ＣＮＧより排気に含まれるＣＨ４濃度に対するＨ２Ｏ濃度の割合が高い燃料を、前記エンジンに追加供給して燃焼させる請求項３または４に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項６】
空燃比センサをさらに備え、
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記空燃比センサは、前記改質触媒の下流の前記排気通路上に設けられる請求項３乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月28日(2012.8.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能なエンジンと、
前記エンジンに連通する排気通路と、
前記排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じさせる改質触媒と、
前記改質触媒の下流側の前記排気通路上に設けられ、前記還元剤によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、
前記改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧを前記エンジンに供給する制御手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気装置。
【請求項２】
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記所定値は、前記エンジンから排気されるガスのＣＨ４濃度及びＨ２Ｏ濃度に基づき決定される請求項１に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項３】
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記制御手段は、ＣＮＧを前記エンジンに供給する場合、ＣＮＧより排気に含まれるＣＨ４濃度に対するＨ２Ｏ濃度の割合が高い燃料を、前記エンジンに追加供給して燃焼させる請求項１または２に記載の内燃機関の排気装置。
【請求項４】
空燃比センサをさらに備え、
前記改質触媒は、ＣＨ４及びＨ２Ｏを改質して前記還元剤を生成し、
前記空燃比センサは、前記改質触媒の下流の前記排気通路上に設けられる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の１つの観点では、内燃機関の排気装置は、ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能なエンジンと、前記エンジンに連通する排気通路と、前記排気通路上に設けられ、ＣＨ４を改質して還元剤を生じさせる改質触媒と、前記改質触媒の下流側の前記排気通路上に設けられ、前記還元剤によりＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化触媒と、前記改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧを前記エンジンに供給する制御手段と、を備える。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
また、前記エンジンは、燃料としてＣＮＧ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）を使用する。一般に、ＣＮＧを燃料とした場合、二酸化炭素（ＣＯ２）や黒煙などの排出量が少ない。一方で、この場合、ＣＨ４の排出量が比較的多くなる。従って、この態様では、内燃機関の排気装置は、エンジンから排出されたＣＨ４に基づき還元剤を生成してＮＯｘを浄化することができるため、他の燃料よりエミッションを低減させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
さらに、前記エンジンは、ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能であり、前記改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧを前記エンジンに供給する制御手段をさらに備える。この態様では、内燃機関の排気装置は、制御手段をさらに備える。また、エンジンは、ＣＮＧを含む複数種類の燃料を切り替えて運転可能なバイフューエルエンジンである。制御手段は、例えばＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、改質触媒の温度が所定値以上の場合、ＣＮＧをエンジンに供給する。一般に、改質触媒の温度が低い場合には、改質触媒によりＣＨ４を改質させる変換率が低くなる。従って、この態様では、内燃機関の排気装置は、ＣＨ４の改質が可能な場合に限定してＣＮＧ運転を行うことで、エミッションを低減させることができる。
【国際調査報告】
2011111217.tif 000012
2011111217.tif 000013
2011111217.tif 000014
2011111217.tif 000015